生成对抗网络(GAN)手写数字生成

文章目录

一、前言

我的环境:

  • 语言环境:Python3.6.5
  • 编译器:jupyter notebook
  • 深度学习环境:TensorFlow2.4.1

往期精彩内容:

来自专栏: 机器学习与深度学习算法推荐

二、前期工作

1. 设置GPU(如果使用的是CPU可以忽略这步)

python 复制代码
import tensorflow as tf

gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True)  #设置GPU显存用量按需使用
    tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")
    
# 打印显卡信息,确认GPU可用
print(gpus)
python 复制代码
from tensorflow.keras import layers, datasets, Sequential, Model, optimizers
from tensorflow.keras.layers import LeakyReLU, UpSampling2D, Conv2D

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy             as np
import sys,os,pathlib
py 复制代码
img_shape  = (28, 28, 1)
latent_dim = 200

二、什么是生成对抗网络

1. 简单介绍

生成对抗网络(GAN) 包含生成器和判别器,两个模型通过对抗训练不断学习、进化。

  • 生成器(Generator):生成数据(大部分情况下是图像),目的是"骗过"判别器。
  • 鉴别器(Discriminator):判断这张图像是真实的还是机器生成的,目的是找出生成器生成的"假数据"。

2. 应用领域

GAN 的应用十分广泛,它的应用包括图像合成、风格迁移、照片修复以及照片编辑,数据增强等等。

1)风格迁移

图像风格迁移是将图像A的风格转换到图像B中去,得到新的图像。

2)图像生成

GAN 不但能生成人脸,还能生成其他类型的图片,比如漫画人物。

三、网络结构

简单来讲,就是用生成器生成手写数字图像,用鉴别器鉴别图像的真假。二者相互对抗学习(卷),在对抗学习(卷)的过程中不断完善自己,直至生成器可以生成以假乱真的图片(鉴别器无法判断其真假)。结构图如下:

GAN步骤:

  • 1.生成器(Generator)接收随机数并返回生成图像。
  • 2.将生成的数字图像与实际数据集中的数字图像一起送到鉴别器(Discriminator)。
  • 3.鉴别器(Discriminator)接收真实和假图像并返回概率,0到1之间的数字,1表示真,0表示假。

四、构建生成器

py 复制代码
def build_generator():
    # ======================================= #
    #     生成器,输入一串随机数字生成图片
    # ======================================= #
    model = Sequential([
        layers.Dense(256, input_dim=latent_dim),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),               # 高级一点的激活函数
        layers.BatchNormalization(momentum=0.8),   # BN 归一化
        
        layers.Dense(512),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.BatchNormalization(momentum=0.8),
        
        layers.Dense(1024),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.BatchNormalization(momentum=0.8),
        
        layers.Dense(np.prod(img_shape), activation='tanh'),
        layers.Reshape(img_shape)
    ])

    noise = layers.Input(shape=(latent_dim,))
    img = model(noise)

    return Model(noise, img)

五、构建鉴别器

py 复制代码
def build_discriminator():
    # ===================================== #
    #   鉴别器,对输入的图片进行判别真假
    # ===================================== #
    model = Sequential([
        layers.Flatten(input_shape=img_shape),
        layers.Dense(512),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.Dense(256),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.Dense(1, activation='sigmoid')
    ])

    img = layers.Input(shape=img_shape)
    validity = model(img)

    return Model(img, validity)
py 复制代码
# 创建判别器
discriminator = build_discriminator()
# 定义优化器
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4)
discriminator.compile(loss='binary_crossentropy',
                      optimizer=optimizer,
                      metrics=['accuracy'])

# 创建生成器 
generator = build_generator()
gan_input = layers.Input(shape=(latent_dim,))
img = generator(gan_input)

# 对生成的假图片进行预测
validity = discriminator(img)
combined = Model(gan_input, validity)
combined.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=optimizer)

六、训练模型

1. 保存样例图片

py 复制代码
def sample_images(epoch):
    """
    保存样例图片
    """
    row, col = 4, 4
    noise = np.random.normal(0, 1, (row*col, latent_dim))
    gen_imgs = generator.predict(noise)

    fig, axs = plt.subplots(row, col)
    cnt = 0
    for i in range(row):
        for j in range(col):
            axs[i,j].imshow(gen_imgs[cnt, :,:,0], cmap='gray')
            axs[i,j].axis('off')
            cnt += 1
    fig.savefig("images/%05d.png" % epoch)
    plt.close()

2. 训练模型

train_on_batch:函数接受单批数据,执行反向传播,然后更新模型参数,该批数据的大小可以是任意的,即,它不需要提供明确的批量大小,属于精细化控制训练模型。

py 复制代码
def train(epochs, batch_size=128, sample_interval=50):
    # 加载数据
    (train_images,_), (_,_) = tf.keras.datasets.mnist.load_data()

    # 将图片标准化到 [-1, 1] 区间内   
    train_images = (train_images - 127.5) / 127.5
    # 数据
    train_images = np.expand_dims(train_images, axis=3)

    # 创建标签
    true = np.ones((batch_size, 1))
    fake = np.zeros((batch_size, 1))
    
    # 进行循环训练
    for epoch in range(epochs): 

        # 随机选择 batch_size 张图片
        idx = np.random.randint(0, train_images.shape[0], batch_size)
        imgs = train_images[idx]      
        
        # 生成噪音
        noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, latent_dim))
        # 生成器通过噪音生成图片,gen_imgs的shape为:(128, 28, 28, 1)
        gen_imgs = generator.predict(noise)
        
        # 训练鉴别器 
        d_loss_true = discriminator.train_on_batch(imgs, true)
        d_loss_fake = discriminator.train_on_batch(gen_imgs, fake)
        # 返回loss值
        d_loss = 0.5 * np.add(d_loss_true, d_loss_fake)

        # 训练生成器
        noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, latent_dim))
        g_loss = combined.train_on_batch(noise, true)
        
        print ("%d [D loss: %f, acc.: %.2f%%] [G loss: %f]" % (epoch, d_loss[0], 100*d_loss[1], g_loss))

        # 保存样例图片
        if epoch % sample_interval == 0:
            sample_images(epoch)
py 复制代码
train(epochs=30000, batch_size=256, sample_interval=200)

七、生成动图

如果报错:ModuleNotFoundError: No module named 'imageio' 可以使用:pip install imageio 安装 imageio 库。

py 复制代码
import imageio

def compose_gif():
    # 图片地址
    data_dir = "images_old"
    data_dir = pathlib.Path(data_dir)
    paths    = list(data_dir.glob('*'))
    
    gif_images = []
    for path in paths:
        print(path)
        gif_images.append(imageio.imread(path))
    imageio.mimsave("test.gif",gif_images,fps=2)
    
compose_gif()
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